При использовании емкостного принципа измерения в высокопроизводи-тельных микромеханических акселерометрах обеспечиваются низкий уровень шумов и энергопотребления, экономическая эффективность и надежность. Емкостные чувствительные элементы на основе изменения зазора между электродами, как правило, требуют управления с обратной связью, что повышает уровень сложности измерительной схемы и энергопотребление. Емкостные чувствительные элементы с изменением площади перекрытия электродов имеют хорошую линейность зависимости емкости от перемещения и большой диапазон измерений, но изготовить их труднее. В работе представлена и исследована модель чувствительного элемента сэндвич-конструкции микромеханического акселерометра емкостного типа, функционирование которого основано на использовании изменения относительной диэлектрической проницаемости диэлектрика конденсаторов за счет введения подвижной инерционной массы между электродами конденсаторов, перемещающейся под действием ускорения. В результате происходит изменение емкости в выходной измерительной цепи. Показано, что рассматриваемая модель обеспечивает высокую чувствительность к воздействию ускорения, стойкость к изменениям температуры и низкое остаточное механическое напряжение в чувствительном элементе. Моделирование и расчеты выполнены с применением программ Ansys и SolidWorks. Получено, что перемещение подвижной массы по оси чувствительности X более чем в 5 раз превышает перемещение подвижной массы по нерабочим осям, а изменение емкости между электродами по оси X почти в 2500 раз больше, чем изменения емкостей между электродами по нерабочим осям Z и Y . Расчеты показали, что при всех значениях воздействующего ускорения (до 30 g) механическое напряжение в чувствительном элементе значительно меньше предела прочности кремния, равного 440 МПа. Установлено, что вариации температуры от -40 до +85 С приводят к незначительным изменениям емкости по рабочей оси (0,0025-0,003 пФ). Это свидетельствует о температурной стабильности работы исследованного чувствительного элемента микромеханического акселерометра. Результаты анализа показали, что разработанная и исследованная модель чувствительного элемента сэндвич-конструкции обеспечивает высокую чувствительность микромеханического акселерометра и стабильность его параметров.
Йе Ко Ко Аунг
Национальный исследовательский университет «МИЭТ», г. Москва, Россия
1. Squeeze film air damping ratio analysis of a silicon capacitive micromechanical accelerometer / Yuming Mo, Lianming Du, BingBing Qu et al. // Microsystem Technology. 2017. Vol. 24. No.2. P. 1089–1095.
URL: https://www.springerprofessional.de/en/squeeze-film-air-damping-ratio-analysis-of-a-silicon-capacitive-/12354388 (дата обращения: 10.10.2019).
2. Study of parameters and characteristics of MEMS capacitive accelerometer with vertical overlap comb drive construction / Ye Ko Ko Aung, Aung Thura, B.M. Simonov et al. // IEEE. Conference of Russian Young Researchers in Electrical and Electronic Engineering (EIConRus). Moscow: MIET, 2019. P. 1941–1945.
URL: https://ieeexplore.ieee.org/document/8657070 (дата обращения: 10.10.2019).
3. A MEMS accelerometer with double-sided symmetrical folded-beams on single wafer / Wei Li,
Xiaofeng Zhou, Jian Wu et al. // IEEE. Nano/Micro Engineered and Molecular Systems (9–12 April 2017,
Los Angeles, USA). 2017. P. 194–198. URL: https://ieeexplore.ieee.org/document/8017004 (дата обращения: 10.10.2019).
4. Hadi Tavakoli, Hadi Ghasemzadeh Momen, Ebrahim Abbaspour Sani. Designing a new high performance 3-axis mems capacitive accelerometer // IEEE. 25th Iranian Conference on Electrical Engineering (LCEE) (2–4 may 2017). 2017. P. 519–522. URL: https://ieeexplore.ieee.org/document/7985093 (дата обращения: 10.10.2019).
5. A MEMS micro-g capacitive accelerometer based on through-silicon-wafer-etching process / Kang Rao, Xiaoli Wei, Shaolin Zhang et al. // Micromachines. 2019. Vol. 10. No. 6. P. 1–14. URL: https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC6630974/ (дата обращения: 10.10.2019).
6. Liu H., Pike W.T., Dou G. Design, fabrication and characterization of a micro-machined gravity gradiometer suspension // IEEE. SENSORS (November 2014, Valencia, Spain). 2014. P. 2–5. URL: https://ieeexplore.ieee.org/abstract/document/6985327 (дата обращения: 10.10.2019).
7. Йе Ко Ко Аунг, Аунг Тхура, Симонов Б.М.,Тимошенков С.П. Параметры чувствительного элемента сэндвич-конструкции емкостного микромеханического акселерометра // Изв. вузов. Электроника. 2019. T. 24. № 3. C 257–266.
8. Badariah Bais, Burhanuddin Yeop Majlis, Senior Member. Structure design and fabrication of an area-changed bulk micromachined capacitive accelerometer // IEEE. International Conference on Semiconductor Electronics (02 July 2007, Kuala Lumpur, Malaysia). 2007. P. 29–34. URL: https://ieeexplore.ieee.org/document/4266564 (дата обращения: 10.10.2019).
9. Badariah Bais, Burhaanuddin Yeop Majlis. Mechanical sensitivity enhancement of an area-changed capacitive accelerometer by optimization of the device geometry // Springer Science. Analog Integrated Circuits and Signal processing. 2005. Vol. 44. No. 2. P. 175 – 183. URL: https://link.springer.com/article/10.1007/s10470-005-2598-6 (дата обращения: 10.10.2019).
10. Xingguo Xiong, Lidong Qiang, Linfeng Zhang, Junling Hu. MEMS dual axis accelerometer with
H-T shape structure // Spingerlink. New Trends in Networking, Computing, E-learning, Systems Sciences, and Engineering (08 November 2014). LNEE, 2014. Vol. 312. P. 291–298. URL: https://link.springer.com/chapter/10.1007/978-3-319-06764-3_36 (дата обращения: 10.10.2019).
11. Тимошенков С.П., Тимошенков А.С., Вавилов В.Д. Микросистемные датчики физических величин: монография: в 2 ч. М.: Техносфера, 2018. 550 с.
12. Оценка работоспособности чувствительного элемента преобразователя линейных ускорений и расчет основных параметров / В.В. Калугин, С.А. Анчутин, Е.С. Кочурина и др. // Приборы. 2018. №9 (219). С. 1–5.